摘要：通過(guò)對(duì)多個(gè)城市已建成的城市軌道交通線路進(jìn)行調(diào)查,分析地鐵工程在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間主體結(jié)構(gòu)變形的原因和特點(diǎn),總結(jié)其變形規(guī)律,預(yù)測(cè)變形發(fā)展趨勢(shì),找出變形的突出部位和監(jiān)測(cè)要點(diǎn),為地鐵的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)起到一定的指導(dǎo)作用,也希望借此能引起地鐵運(yùn)營(yíng)管理者對(duì)主體結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的重視。 研究結(jié)論：城軌交通工程在運(yùn)營(yíng)期間,主體結(jié)構(gòu)普遍存在變形的問(wèn)題,有必要對(duì)主體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),動(dòng)態(tài)掌握結(jié)構(gòu)變形情況。選擇代表性部位進(jìn)行沉降、水平位移、收斂等變形監(jiān)測(cè),對(duì)變形較大的地段及時(shí)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施,確保運(yùn)營(yíng)安全,對(duì)保障安全運(yùn)營(yíng)是非常必要的,相關(guān)部門(mén)應(yīng)引起足夠的重視。 關(guān)鍵詞：城市軌道交通;運(yùn)營(yíng);主體結(jié)構(gòu);變形監(jiān)測(cè);必要性 目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多條城市軌道交通線路（簡(jiǎn)稱“城軌”或“地鐵”）建成運(yùn)營(yíng),通過(guò)對(duì)天津、上海、北京等城市的一些已運(yùn)營(yíng)的線路調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),在建設(shè)過(guò)程和運(yùn)營(yíng)期間,其隧道、高架橋、U型結(jié)構(gòu)、路基擋墻等主體結(jié)構(gòu)均有變形發(fā)生,從而引起線路沉降、軌道變形,嚴(yán)重時(shí)則影響城軌的運(yùn)營(yíng)安全。為了及時(shí)掌握地鐵主體結(jié)構(gòu)的變形情況,及時(shí)消除安全隱患,在運(yùn)營(yíng)期間,對(duì)主體結(jié)構(gòu)采取適宜的變形監(jiān)測(cè)是非常必要的,根據(jù)變形監(jiān)測(cè)情況,及時(shí)提出整治方案,以保障城軌的運(yùn)營(yíng)安全。 1 地鐵的主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的必要性 1. 1 地鐵結(jié)構(gòu)隨地層的隆沉引起變化 城軌建設(shè)過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)的變化主要隨地層隆沉而變化。比如天津市地處沖積平原地區(qū),局部有軟土層和地震液化層,整體沉降量較大。天津地鐵1號(hào)線工程新建地下段采用明挖或盾構(gòu)法施工,存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、因降水引起地下水位變化及基坑開(kāi)挖過(guò)程會(huì)產(chǎn)生基底土卸載,造成坑底隆沉;主體構(gòu)筑、覆土回填會(huì)重新給基底土施加荷載,造成地基的隆沉;而主體結(jié)構(gòu)竣工后地下水位的變化會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生浮力,減少結(jié)構(gòu)沉降的趨勢(shì),浮力過(guò)大時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)上浮。 城軌工程結(jié)構(gòu)本身由于地基的變形及內(nèi)部應(yīng)力、外部荷載的變化而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和沉降。如結(jié)構(gòu)變形和沉降超過(guò)允許值,將會(huì)對(duì)城軌的運(yùn)營(yíng)造成影響,甚至?xí)斐蛇\(yùn)營(yíng)中斷。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解變形情況,分析變形原因并采取有效措施,對(duì)于預(yù)防事故、保證城軌的正常運(yùn)營(yíng)是非常重要的。 施工期間除在基坑開(kāi)挖、主體結(jié)構(gòu)構(gòu)筑過(guò)程中需對(duì)地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)外,還要對(duì)周邊建筑物、地下水位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)踐證明這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都在發(fā)生不均勻的沉降變化。如天津市從1923年開(kāi)始,隨著地下水的開(kāi)發(fā),地面沉降一直在發(fā)展,初期年沉降僅幾個(gè)毫米。解放后隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,地下水開(kāi)采量逐漸增加,地面沉降越來(lái)越嚴(yán)重, 1959—2000年最大累計(jì)沉降值已達(dá)2. 85m。天津地鐵沿線途徑河北區(qū)小王莊京津橋累計(jì)沉降量2. 0～2. 5 m的面積已達(dá)37 km2。 綜上所述,地鐵在施工及運(yùn)營(yíng)期間對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的。 1. 2 不同的線路敷設(shè)形式存在結(jié)構(gòu)變形差異 城軌工程呈線狀分布,分布范圍較長(zhǎng),整個(gè)工程范圍內(nèi)由于線路敷設(shè)形式不同有可能存在著不均勻沉降的問(wèn)題。 一條城軌線一般包含地下線、高架線和地面線等不同的線路敷設(shè)形式,如圖1所示。地下結(jié)構(gòu)有采用盾構(gòu)施工的圓形隧道、明挖施工的矩形結(jié)構(gòu)及暗挖施工的馬蹄形結(jié)構(gòu),高架部分有連續(xù)梁、簡(jiǎn)支梁、鋼混結(jié)合梁等不同的結(jié)構(gòu)形式,地面線路基部分有填土、挖方等情況,不同結(jié)構(gòu)形式變形復(fù)雜,各分體結(jié)構(gòu)存在差異變形,需要及時(shí)了解全線各部位特別是銜接處的變形情況。 1. 3 既有線與新建工程存在結(jié)構(gòu)變形差異 個(gè)別地鐵項(xiàng)目存在既有線改造的情況,隨著城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展,早期建設(shè)的地鐵已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生活的需要,需要從規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行改造。 如天津地鐵1號(hào)線西站至新華路7座既有站是利用既有地鐵的洞體進(jìn)行了改擴(kuò)建的。既有段始建于1970年,為“7047”人防工程, 1984年建成通車(chē),已運(yùn)營(yíng)了20年。改建工程充分利用了既有段區(qū)間結(jié)構(gòu),只對(duì)車(chē)站進(jìn)行拆除、改建,每個(gè)改建站兩端均與新結(jié)構(gòu)體銜接,銜接處均存在著新舊結(jié)構(gòu)間的差異沉降問(wèn)題。差異沉降量勢(shì)必影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,甚至?xí)绊懙降罔F線路的正常運(yùn)營(yíng)。因此,需在運(yùn)營(yíng)期間對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)等進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),及時(shí)準(zhǔn)確地了解結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì),針對(duì)變形情況采取必要的補(bǔ)救措施,以保證地鐵正常運(yùn)營(yíng)。在建的哈爾濱地鐵利用一段既有人防工程,在建設(shè)中也應(yīng)重視變形監(jiān)測(cè)。 1. 4 地鐵運(yùn)營(yíng)會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)變形 地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)反復(fù)的振動(dòng)和曲線上未平衡的離心力等的作用都可能誘發(fā)區(qū)間隧道洞體的形變和隧道周?chē)馏w性質(zhì)的變化,因此也是地鐵運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)的重要原因。 1. 5 地鐵周邊環(huán)境的改變也會(huì)造成結(jié)構(gòu)變形 地鐵所經(jīng)過(guò)的沿線多是城市繁華地帶,一些高層商務(wù)樓宇正在或即將施工建設(shè),這些距地鐵較近的建筑物在施工期間極易引起地鐵結(jié)構(gòu)的變形。為此,在周?chē)こ涕_(kāi)工前,對(duì)地鐵制定適宜的監(jiān)測(cè)方案,伴隨周邊工程的建設(shè),對(duì)地鐵進(jìn)行變形全程監(jiān)測(cè)也是十分必要的。 2 地鐵主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)工作重點(diǎn) 2. 1 通過(guò)監(jiān)測(cè)隨時(shí)掌握地鐵結(jié)構(gòu)變形全貌 通過(guò)監(jiān)測(cè)可動(dòng)態(tài)收集地鐵結(jié)構(gòu)變形信息,掌握結(jié)構(gòu)變形情況,保障運(yùn)營(yíng)安全,確保工程的可靠度。地下結(jié)構(gòu)和高架橋結(jié)構(gòu)形式不同引起的變形也不盡相同,通過(guò)監(jiān)測(cè)可驗(yàn)證沉降變形理論的正確性和可靠性,了解結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài),判斷結(jié)構(gòu)的安全承載能力和使用條件。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集各種技術(shù)數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫(kù),以便更好地隨時(shí)掌握結(jié)構(gòu)變形全貌?？杉皶r(shí)發(fā)現(xiàn)變形現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),并采取處理措施預(yù)案。 2. 2 重視積累監(jiān)測(cè)資料,提供病害治理可靠依據(jù) 隨著城市的不斷發(fā)展,地鐵等軌道交通建設(shè)規(guī)模必然不斷擴(kuò)大,并將成為城市公共交通的重要支柱。城軌交通的安全運(yùn)營(yíng)已成為城市窗口形象,通過(guò)對(duì)地鐵主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè),收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、記錄整治方案,系統(tǒng)地整理、積累資料,及時(shí)掌握現(xiàn)有建成地鐵工程運(yùn)營(yíng)變形情況。通過(guò)對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)準(zhǔn)確掌握現(xiàn)有建成地鐵工程的運(yùn)營(yíng)變形情況,不斷總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),為病害治理提供可靠依據(jù),也可供今后相關(guān)工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)借鑒。 2. 3 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置 根據(jù)理論分析和以往的經(jīng)驗(yàn),一般對(duì)地鐵的以下主體部分進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),掌握重點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)變形情況: （1）車(chē)站與區(qū)間銜接處的差異沉降; （2）城軌交通穿越河流、不良地質(zhì)地段的隧道區(qū)段的特殊沉降; （3）既有隧道與新建隧道銜接處的差異沉降; （4）區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道附近銜接處的差異沉降; （5）城軌交通沿線有高大建筑或工程正在施工的地段對(duì)隧道的影響; （6）本線與后建設(shè)的城軌交通線路交叉點(diǎn)附近地段對(duì)本線隧道的影響; （7）高架橋地段的墩臺(tái)沉降、梁體的撓曲變形; （8）隧道、高架橋與路基的過(guò)渡段的差異沉降; （9）城軌交通穿越國(guó)家既有鐵路對(duì)隧道的影響。 2. 4 地層沉降理論的支持和分析 對(duì)于城軌交通建設(shè)時(shí)和運(yùn)營(yíng)后主體結(jié)構(gòu)的地層沉降,一般采用現(xiàn)在通用的理論,如派克法、有限元法和派克修正公式對(duì)地表沉降量進(jìn)行估算。 派克（Peck）法是假定地層損失在隧道長(zhǎng)度上均勻分布,地面沉降在垂直隧道方向上正態(tài)分布。 對(duì)隧道上方地表沉降槽橫向分布的地面沉降量提出估算公式。 計(jì)算結(jié)果應(yīng)根據(jù)工程的具體地質(zhì)情況和土質(zhì)特征,一般要對(duì)估算公式進(jìn)行修正,并通過(guò)監(jiān)測(cè)得到驗(yàn)證。 2. 5 對(duì)重要建筑物的地基變形計(jì)算依托的理論依據(jù) 對(duì)于地鐵附屬的重要建筑物和周?chē)o鄰的高大建筑物的建設(shè)對(duì)地鐵主體結(jié)構(gòu)的影響,首先要掌握建筑物荷載在地基土層中引起的應(yīng)力變化,其次必須掌握地基土層的分布情況及其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征,由此可預(yù)先計(jì)算出將發(fā)生的變形值。 對(duì)建筑物而言,在一般情況下最主要的是地基的豎向壓縮變形,表現(xiàn)為建筑物基礎(chǔ)的沉降。因此,地基變形計(jì)算通常即指基礎(chǔ)沉降計(jì)算。 自地鐵開(kāi)始施工之日起,對(duì)地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的新建建筑物,就要進(jìn)行監(jiān)測(cè),直至評(píng)定其已經(jīng)穩(wěn)定,或變形值和變形速率在正常值范圍內(nèi)。一方面要對(duì)建筑物基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)對(duì)臨近建筑物地段的地鐵結(jié)構(gòu)重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)工程情況和變形情況,采取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)方案,必要時(shí)采取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置探頭和傳感器,用光纜傳輸數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程適時(shí)監(jiān)測(cè)。 3 調(diào)查結(jié)果 根據(jù)調(diào)查已經(jīng)建成運(yùn)營(yíng)的多條軌道交通線均有不同程度的結(jié)構(gòu)變形。深圳、廣州、南京、上海、天津等城市的已經(jīng)運(yùn)營(yíng)軌道交通線的調(diào)查發(fā)現(xiàn),一些線路的變形較嚴(yán)重,尤其上海已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的1、2、3號(hào)線均有較大變形,且一直在持續(xù),其中上海1號(hào)線變形較大的地段,隧道洞體下沉達(dá)27 mm,隧道斷面變形達(dá)11 mm,而且變形仍在持續(xù)發(fā)展,正在采取各種手段來(lái)保障運(yùn)營(yíng)的安全。 天津地鐵1號(hào)線工程在西站過(guò)河段施工期間的最大沉降量就達(dá)到480 mm,侵限很?chē)?yán)重,線路調(diào)整無(wú)法解決根本問(wèn)題,經(jīng)過(guò)研究,最終將線路盡量調(diào)整到侵限均勻,軌道采取特殊設(shè)計(jì),減薄道床厚度,解決了該難題,避免了工程的拆除重建。 目前國(guó)內(nèi)一些城市的軌道交通工程已陸續(xù)建成通車(chē),有些城市對(duì)工程的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè),有些城市對(duì)此還尚未引起足夠的重視,尤其錯(cuò)過(guò)了初期數(shù)據(jù)的采集時(shí)機(jī),對(duì)以后的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理極為不利。 國(guó)家有關(guān)規(guī)范對(duì)此類(lèi)重大工程也有明確規(guī)定,《建筑變形測(cè)量規(guī)程》（JGJ/T8—97）、《地下鐵道、軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》（GB 50308—1999）等對(duì)此均有明確條文,規(guī)定地鐵工程施工全過(guò)程和運(yùn)營(yíng)階段中,進(jìn)行變形測(cè)量是十分必要的,通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,經(jīng)評(píng)定認(rèn)為已經(jīng)穩(wěn)定的可以停止觀測(cè)。 4 結(jié)論 建議地鐵及其它城軌等工程項(xiàng)目,在施工期間及竣工運(yùn)營(yíng)后,把對(duì)主體結(jié)構(gòu)的沉降、水平位移、收斂等變形監(jiān)測(cè)工作提到議事日程,重視資料的整理和積累。給出主體結(jié)構(gòu)的變形情況,以及主體結(jié)構(gòu)變形今后的發(fā)展趨勢(shì),并提出整治方案。逐漸修正理論依據(jù),完善監(jiān)測(cè)方法,使地鐵監(jiān)測(cè)成為保障地鐵運(yùn)營(yíng)安全、維護(hù)城市窗口形象的主要工作項(xiàng)目。 參考文獻(xiàn): [1]夏才初,潘國(guó)榮,等.土木工程監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001. 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